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Die
Erfindung betrifft eine optische Messeinrichtung für die Bestimmung
von Relativverschiebungen zwischen zwei parallel zueinander liegenden Flächen.
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Eine
große
Vielfalt an optischen, induktiven oder kapazitiven Wegaufnehmern
ist bekannt, die verwendet werden, um einen Abstand zwischen zwei Punkten
zu messen. Durch mehrere, in zeitlichem Abstand zueinander folgende
Messungen und den Vergleich der Messwerte miteinander kann dann
außerdem
festgestellt werden, ob sich ein derartiger Abstand etwa geändert hat
oder gleich geblieben ist.
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Die
Genauigkeit derartiger Messungen zu Veränderungen im Abstand ist durch
die Probleme begrenzt, die bei der Bildung von Differenzen zwischen
zwei Messwerten auftreten. Sind die Änderungen genügend groß, genügen solche
Differenzbetrachtungen jedoch im Allgemeinen den Anforderungen.
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Die
herkömmlichen,
bei normalen Anforderungen für
diese Zwecke anwendbaren Sensoren und Geräte stoßen jedoch bei bestimmten Randbedingungen
auf erhebliche Schwierigkeiten.
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So
besteht insbesondere im Bauwesen und im Maschinenbau, in der Luft-
und Raumfahrt sowie im Automobilbereich gelegentlich der Wunsch,
rechtzeitig zu erfahren, wenn sich der Abstand zwischen zwei Punkten
im Laufe eines längeren
Zeitraumes ändert,
insbesondere, ob er sich über
ein bestimmtes tolerierbares Maß hinaus ändert. Dies
ist etwa interessant, um die Tragfähigkeit von Verbindungen oder auch
von Bauelementen selbst zu überwachen.
Bekannt zur Lösung
dieses Problems sind beispielsweise Wegaufnehmer, die über einen
Spalt zwischen zwei nebeneinander liegenden Bauelementen oder auf
ein derartiges Bauelement befestigt werden und eine Aussage darüber erlauben,
ob sich diese beiden nebeneinander liegenden Bauelemente überhaupt relativ
zueinander in ihrem Abstand geändert
haben und/oder, ob dies über
ein bestimmtes tolerierbares Maß hinaus
geschehen ist.
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Nicht
geeignet sind derartige Wegaufnehmer allerdings dann, wenn es um
Veränderungen
im Inneren einen Bauelementes geht, wenn also die Punkte, deren
Abstand interessant ist, für
das Anbringen von Wegaufnehmer gar nicht zugänglich sind.
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Diese
Problematik entsteht beispielsweise dann, wenn Bauelemente aus mehreren
etwa plattenförmigen
Bauteilen zusammengefügt
sind, beispielsweise durch Klebung von aufeinander liegenden Flächen. Das
Verhalten derartiger gefügter Strukturen
ist häufig
von Interesse.
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Bekannt
ist es, bei derartigen geklebten Bauteilen wie eingangs erwähnt von
außen
mit relativ teuren und aufwendigen Messgeräten eine Ortsbestimmung vorzunehmen,
und zwar mehrfach in längeren
Zeitabständen.
Dadurch will man feststellen, ob sich die einzelnen Bauteile in
einer bestimmten Richtung relativ zueinander verschoben haben. Damit
können
jedoch im Allgemeinen nur relativ große Abweichungen festgestellt
werden, indem die jeweiligen Messungen dann in Bezug zueinander
gesetzt und aus den Differenzen Rückschlüsse gezogen werden, oder es
muss mit sehr aufwendigen und kostspieligen Apparaten gearbeitet
werden.
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Insbesondere
dann, wenn es um mögliche Verschiebungen
parallel zu der Ebene der Fügefläche von
zwei derartigen etwa plattenförmigen
Bauelementen geht, sind die bekannten Messmethoden einerseits viel
zu ungenau oder andererseits auch zu aufwendig, um entsprechende
Aussagen wirtschaftlich zu ermöglichen.
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Dem
gegenüber
besteht der Wunsch, auch Relativverschiebungen zwischen derartigen
Bauteilen in günstiger
Form zu bestimmen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Messeinrichtung für
die Bestimmung von Relativverschiebungen, die zwischen einer ersten Fläche und
einer dazu parallel liegenden zweiten Fläche auftreten, mit einer Lichtquelle,
mit einem lichtempfindlichen Empfänger, mit einem Lichtleitungsweg,
auf dem Licht von der Lichtquelle zum lichtempfindlichen Empfänger geleitet
wird, mit einer optischen Kopplungsstelle, die im Lichtleitungsweg
angeordnet ist, wobei an der optischen Kopplungsstelle ein erster
Abschnitt und ein zweiter Abschnitt des Lichtleitungsweges aufeinander
treffen, wobei die erste Fläche
dem ersten Abschnitt des Lichtleitungsweges und die zweite Fläche dem
zweiten Abschnitt des Lichtleitungsweges zugeordnet ist, wobei bei
einer Relativverschiebung der ersten Fläche zur zweiten Fläche der
erste Abschnitt relativ zum zweiten Abschnitt des Lichtleitungsweges
so bewegt wird, dass an der optischen Kopplungsstelle ein für die Relativverschiebung
der ersten Fläche
zur zweiten Fläche
repräsentativer
Anteil des Lichtes im Lichtleitungsweg übergeben wird.
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Die
Erfindung geht davon ab, durch immer präzisere Messungen der Ortsbestimmungen
bestimmter Bauteile und eine Differenzbildung die Relativverschiebungen
zwischen zwei Bauteilen zu bestimmen. Stattdessen wird eine Möglichkeit
geschaffen, auf Wunsch auf sehr einfache Weise eine kontinuierliche
Beobachtung des Verhaltens der beiden Fügepartner durchzuführen oder
jedenfalls häufig derartige
Messungen abzufragen.
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Vereinfacht
ausgedrückt
wird in verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung eine Lichtquelle und ein lichtempfindlicher Empfänger benutzt. Zwischen
beide wird ein Lichtleitungsweg gelegt. Dies kann eine optische
Faser sein, die von der Lichtquelle bis zum lichtempfindlichen Empfänger reicht, es
sind jedoch auch andere Lichtleitungswege denkbar. Jedenfalls wird
in diesen Lichtleitungsweg eine optische Kopplungsstelle gelegt.
Diese optische Kopplungsstelle kann sich in der Mitte des Lichtleitungsweges
zwischen Lichtquelle und lichtempfindlichen Empfänger befinden, sie kann aber
auch unmittelbar an der Lichtquelle oder an dem lichtempfindlichen
Empfänger
angeordnet sein, so. dass der eine Abschnitt des Lichtleitungsweges
sehr kurz ist und im Extremfall praktisch wegfällt, wenn er nämlich nur noch
die Lichtleitung von der optischen Kopplungsstelle zur unmittelbar
daneben liegenden Lichtquelle beziehungsweise zum unmittelbar daneben
liegenden lichtempfindlichen Empfänger bildet.
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Diese
beiden Abschnitte des Lichtleitungsweges können sich nun relativ zueinander
bewegen. Am einfachsten vorstellbar ist dies, wenn beide Abschnitte
jeweils von einer lichtleitenden, optischen Faser gebildet werden
und diese beiden Abschnitte achsparallel zueinander angeordnet sind.
In einer Ruhestellung oder Nullposition können die beiden Abschnitte
des Lichtleitungsweges mit ihren Achsen genau aufeinander fallen,
so dass an der optischen Kopplungsstelle beide optische Faserabschnitte
mit ihrem vollen identischen Querschnitt sich exakt überdecken.
Das bedeutet, dass hier eine optimale und maximale Durchgängigkeit
für das
zur Verfügung
stehende Licht von der Lichtquelle zum lichtempfindlichen Empfänger vorliegt.
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Wenn
jetzt zwischen den beiden Fügepartnern
eine Verschiebung stattfindet, bewegen sich dementsprechend auch
die beiden Abschnitte des Lichtleitungsweges, so dass die Achsen
der dafür beispielsweise
verwendeten optischen Fasern zwar noch achsparallel, aber nicht
mehr identisch sind und die Querschnitte sich nur noch teilweise überlappen. Mit
fortschreitender Bewegung der beiden Fügepartner relativ zueinander
nimmt der Überlappungsbereich
immer mehr ab, bis schließlich
keine Überdeckung
stattfindet.
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Wie
sich in Tests bereits ergeben hat, ist der Verlauf dieser Kurve
der übertragenen
Lichtintensität eindeutig,
so dass aus der vom lichtempfindlichen Empfänger aufgefangenen Lichtintensität unmittelbar auf
den Verschiebungsgrad der beiden Fügepartner zueinander geschlossen
werden kann.
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Der
Messbereich, der mit der Messeinrichtung auf diese Weise erfasst
werden kann, ist so groß,
wie dies durch den Durchmesser der verwendeten lichtleitenden Fasern
vorgegeben ist. Durch geeignete Auswahl des verwendeten Typs oder Durchmessers
für den
Lichtleitungsweg wird der Messbereich sogar einstellbar. Der zu
beobachtende Messbereich ist in der Regel sehr kurz, kann aber auch
mehrere Millimeter betragen. Hier kommt es gerade auf eine hochpräzise Messung
im Mikrometerbereich an, und genau das kann durch die Verschiebung
der beiden Abschnitte der optischen Fasern auch erzielt werden.
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In
bestimmten Fällen
ist es problematisch, den Lichtleitungsweg mit seinen optischen
Fasern exakt achsparallel aufeinander auszurichten. Hier ist es
durch eine alternative Anordnung der Faserabschnitte durchaus auch
möglich,
zumindest einen der beiden Abschnitte beweglich so anzuordnen, dass
er mit dem anderen Abschnitt einen veränderbaren Winkel einschließt. Er kann
dann über
einen Hebelmechanismus in seiner Winkellage relativ zu dem anderen
Abschnitt verändert
werden, wobei der Hebelmechanismus wiederum durch eine der beiden
interessierenden Flächen
betätigt
wird. Auch durch den sich ändernden
Winkel lässt
sich eine entsprechende Intensitätsveränderung-,
insbesondere -einschränkung
beim Übertragen
an der optischen Kopplungsstelle erzielen.
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Die
Lichtquelle und/oder der lichtempfindliche Empfänger müssen nicht zwingend im Bereich der
relevanten Fläche
oder in deren Nähe
oder überhaupt
in dem Bereich des von ihnen repräsentierten Fügeparters
angeordnet werden, da es lediglich darauf ankommt, dass sie das
Licht in den relevanten Abschnitt des Lichtleitungsweges einkoppeln;
dieser Abschnitt muss nicht linear verlaufen, sondern kann praktischen
Gegebenheiten folgen, abgesehen natürlich von dem Bereich unmittelbar
an der optischen Kopplungsstelle.
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Dies
ermöglicht
es, die gesamte Anordnung aus der Lichtquelle, dem lichtempfindlichen
Empfänger,
dem dazwischen liegenden Lichtleitungsweg mit seinen beiden Abschnitten
und der optischen Kopplungsstelle insgesamt in einem Gesamt-Sensorelement
anzuordnen, dass sich sehr klein und trotzdem robust ausführen lässt.
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Dies
hat den Vorteil, dass sich ein derartiges Gesamtsensorelement sehr
kostengünstig
in Großserien
fertigen lässt
und damit auch als Massenartikel für eine kontinuierliche Überwachung
von Relativverschiebungen derartiger Fügepartner eingesetzt werden
kann, wobei der Einbau keinerlei Fachkenntnisse voraussetzt und
damit auch von Hilfskräften etwa
im Baugewerbe vorgenommen werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird tatsächlich
direkt in das Innere der Bauteile in den Bereich der Fügeflächen gegangen
und dort eine jeweils aktuelle Bestimmung einer Relativverschiebung
als Lageveränderung
der beiden Bauteile parallel zur Ebene der Fügefläche ermöglicht.
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Eine
nur wenige Millimeter Durchmesser besitzende Bohrung kann bevorzugt
nur von einer der beiden äußeren Seiten
des Gesamtbauelementes aus senkrecht zur Fügefläche erfolgen. Es wird dann bevorzugt
eine Bohrung etwa als Sackbohrung von einer Außenseite des Verbundes aus
durch das eine der beiden Bauelemente hindurch bis über die
Fügefläche hinaus
in das andere Bauelement geschaffen. In diese Sackbohrung hinein
kann der erfindungsgemäße Sensor
gesetzt werden.
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Grundsätzlich besteht
natürlich
auch die Möglichkeit,
die erfindungsgemäße Konzeption
bereits bei der Herstellung des Bauteiles zu integrieren.
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Es
wird mittels einer optischen Faser insbesondere die Möglichkeit
geschaffen, innerhalb der Sackbohrung eine Lichtmenge durch diese
optische Faser zu führen
und diese Lichtmenge abhängig
von der Relativbewegung der beiden Bauelemente zueinander zu beeinflussen.
Außerdem
wird eine Auswerteeinheit so ausgestaltet, dass sie aus einer sich
verändernden,
beispielsweise reduzierten Menge auftreffenden Lichtes auf eine
bestimmte Verschiebung der beiden Bauteile längs oder parallel zu der Ebene der
Fügefläche schließt.
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Bei
vielen Elementen insbesondere im Bauwesen ist es interessant, nicht
nur einen Abstand zu kennen, sondern auch dessen relative Veränderung mit
der Zeit zu bestimmen und zu überwachen,
etwa bei Verbundgläsern
und geklebten Verbindungen, wie sie im Fassadenbau oder auch in
ganz anderen Anwendungsformen im Laboreinsatz benutzt werden. Auch
bei geklebten Verbindungen, Verstärkung von Bauteilen zum Beispiel
durch kohlefaserverstärkten
Kunststofflamellen, Hybridwerkstoffen und anderen Verbindungen ist
dies interessant; es gibt auch Schlupf in Bewegungsfugen und Rissen
etc., der beobachtet werden soll. Auch im Automobilbau und in der
Flugzeugtechnik ist eine Überwachung
von strukturellen Klebverbindungen und verwandten Verbindungen interessant.
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Es
ist auch möglich,
innerhalb eines einzelnen Bauelementes die Verschiebung beispielsweise von
dessen beiden Außenflächen oder
von anderen Messflächen
relativ zueinander auf diese Weise zu bestimmen, wenn es sich beispielsweise
um ein nicht vollständig
starres plattenförmiges
Bauelement handelt, sondern um einen mehr oder weniger flexiblen Werkstoff,
in dem es aufgrund von äußeren Beanspruchungen
zu Schubverzerrungen kommt.
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Dann
kann eine Schubverformung innerhalb dieses Bauelementes bestimmt
werden.
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Möglich ist
es auch, derartige Verschiebungen von zwei Flächen zueinander innerhalb eines Bauelementes
oder auch von zwei aufeinander geklebten Bauelementen festzustellen,
und dabei keine Bohrungen oder andere Zerstörungen oder verändernde
Maßnahmen
vorzunehmen. Es kann dann außen
auf das oder die Bauelemente jeweils ein Hilfselement geklebt werden,
wobei dieses Hilfselement jeweils die Verschiebungen der Außenfläche exakt
abbildet, und dann zwischen den Hilfselementen außerhalb
der Außenkanten
der oder des Bauelementes der Lichtleitungsweg mit der Lichtquelle, dem
lichtempfindlichen Empfänger
und den. beiden. Abschnitten sowie der optischen Kopplungsstelle aufgebaut
werden.
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Das
Sensorelement wird dadurch insgesamt außerhalb der beiden Bauelemente
aufgebaut und kann trotzdem die Relativverschiebung der interessierenden,
parallel zueinander liegenden Flächen
abbilden.
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Die
herkömmlichen
Sensoren sind für
eine solche Überwachung
nicht geeignet. Diese sind von großer Bauart, erfordern eine
aufwendige Montage und verursachen hohe Kosten für die Wegaufnehmer. Außerdem ist
eine Montage ohnehin nur an den Rändern möglich. Herkömmliche Sensoren sind meist
auch nicht robust genug für
den täglichen
Einsatz und häufig
auch recht groß und
somit nur sehr eingeschränkt
und unkomfortabel nutzbar.
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Wenn
hier von Flächen
gesprochen wird, so sind dies nicht zwingend Außenflächen, Grenzflächen oder
andere, Werkstoffe voneinander trennende Flächen, sondern es kann sich
auch um Flächen in
beliebigen Ebenen oder Messebenen handeln, die rein geometrisch
definiert sind.
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Mit
der Erfindung ist es möglich,
auch kleinste Relativverschiebungen zu bestimmen, beispielsweise
zwischen den Fügepartnern
geklebter Verbindungen in Folge nachgiebigen Verbunds.
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Darüber hinaus
entsteht ein günstiges
Messkonzept und eine miniaturisierte Sensorbauweise.
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Benutzt
wird in einer bevorzugten Ausführungsform
knapp gefasst ein optoelektronischer Sensor in einer recht kleinen
Bauweise. Abmessungen von etwa 6 mm × 6 mm × 20 mm sind möglich. Die Montage
des Sensors kann beispielsweise durch ein Bohrloch mit einem Durchmesser
von 6 mm erfolgen und es können
Verschiebungen bis in den Bereich weniger Mikrometer festgestellt
werden.
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Durch
ein Einkleben des Sensors kann ein kraft- und formschlüssiges Befestigen
in der Bohrung vorgenommen werden.
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Das
Funktionsprinzip der Erfindung basiert auf dem Gedanken, einen optischen Übertragungsweg
bei Auftreten von Relativverschiebungen zwischen einem Sensorträger und
einem Mitnehmer zu verändern,
insbesondere einzuschränken.
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Von
Vorteil ist es, dass neben dem günstigen Sensorkonzept
auch eine Stand-Alone-Lösung möglich wird.
Die Spezialisierung des Sensorkonzeptes ist zu favorisieren gegenüber unspezialisierten
Wegaufnehmern. Denkbar ist auch eine Integration in größere Messanlagen:
Die Signalerfassung kann analog oder auch digital erfolgen.
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Neben
der hohen Genauigkeit und Sensitivität wird ein kostengünstiges
Konzept und eine einfache Montagemöglichkeit geschaffen.
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Bevorzugt
wird die Integration des optischen Messprinzips in einem verkapselten
Sensor, etwa mittels einer Umlenkkugel.
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Die
Energieversorgung kann jeweils beispielsweise autark vorgesehen
werden, etwa mittels auswechselbarer Batterien. Denkbar ist auch
eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Energieversorgung von
außerhalb
des Bauteils aus, etwa von Seiten einer Auswerteeinrichtung.
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Im
Folgenden werden anhand der Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher dargestellt.
Es zeigen:
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1 eine
Darstellung als Schnitt einer schematischen Anordnung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung des Bereiches der optischen Kopplungsstelle
senkrecht zur Ansicht in 1;
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3 eine
Darstellung als Schnitt einer schematischen Anordnung gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
schematische Darstellung des Bereiches der optischen Kopplungsstelle
senkrecht zur Ansicht in 3; und
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5 eine
Darstellung als Schnitt einer schematischen Anordnung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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In
der 1 ist ein Teilschnitt einer Anordnung dargestellt,
in der eine Ausführungsform
der Erfindung ihre Verwendung findet.
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Es
geht hier darum, dass zwei Flächen 11, 12 von
zwei Fügepartnern
beziehungsweise Bauelementen 13, 14 aufeinander
befestigt sind. Zwischen den beiden Bauelementen 13, 14 befindet
sich ein Fügebereich 15.
In diesem Fügebereich 15 befindet sich
beispielsweise eine Klebstoffmasse, mit der die beiden Bauelemente 13 und 14 aufeinander
geklebt sind. Auf diese Weise entsteht insgesamt ein Verbundbauelement.
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In
der Praxis werden die aufeinander geklebten plattenförmigen Bauelemente 13 und 14 natürlich wesentlich
größere Dimensionen
aufweisen, als die Klebstoffschicht in und um den Fügebereich 15 herum.
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Es
sei nun angenommen, dass die beiden plattenförmigen Bauelemente 13 und 14 sich
möglicherweise
parallel zu ihren aneinander angrenzenden Flächen 11 und 12 benachbart
zu dem Fügebereich 15 verschieben
könnten,
unter Anderem dann, wenn die Klebstoffschicht im Fügebereich 15 ihre Festigkeit
verliert oder die Belastungen zu groß sind. Es geht hier in der
Praxis um den Bereich von Mikrometer bis zu einigen Millimetern,
da bei einer noch stärkeren
Verschiebung sich die beiden Bauelemente 13 und 14 bereits
physikalisch voneinander getrennt haben. Festzustellen ist also,
ob die relative Verschiebung der beiden plattenförmigen Bauelemente 13 und 14 parallel
zu ihren aneinander und zum Fügebereich 15 angrenzenden
Flächen 11 und 12 ein
bestimmtes Toleranzmaß erreicht
oder überschritten
hat. Sollte dies der Fall sein, kann ein Signal oder ein Alarm ausgelöst werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn auch ein noch innerhalb des Toleranzbereiches
liegendes relatives Verschieben auch schon angezeigt wird, um eine
möglicherweise
bevorstehende größere Verschiebung
anzudeuten.
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In
der Ausführungsform
in der 1 ist nun eine Version gewählt, bei der eine Messung innerhalb der
beiden Fügepartner
beziehungsweise Bauelemente 13, 14 stattfindet.
Zu diesem Zweck wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Sackbohrung 17 von
einer Außenfläche des
Bauelements 13 durch dieses Bauelement 13 und
die Fläche 11 hindurch senkrecht
zu der Fläche 11,
weiter durch den Fügebereich 15 mit
der Klebstoffschicht bis durch die zweite Fläche 12 hindurch hinein
in das zweite Bauelement 14 geführt. Diese Sackbohrung 17 steht
nun zum Einsetzen eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 20 bezeichneten
Aufbaus zur Verfügung.
Dieser Aufbau ist ein Gesamt-Sensorelement und kann auch von Hilfskräften in
ein solches Verbundbauelement aus zwei Bauelementen 13 und 14 eingesetzt werden,
etwa im Rahmen einer Serienfertigung im Maschinenbau oder auch auf
Baustellen, wo häufig fachlich
qualifiziertes Personal sehr knapp ist.
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Dieses
Gesamtsensorelement 20 kann verkapselt sein und ist nur
wenige Millimeter dick. Dadurch wird die Integrität der beiden
Bauelemente 13 und 14 sowie der Klebstoffschicht
im Fügebereich 15 nur
geringst möglich
beeinträchtigt.
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Das
Gesamtsensorelement 20 weist eine Lichtquelle 21 und
einen lichtempfindlichen Empfänger 22 auf.
Beide sind so gewählt,
dass ihr Energieverbrauch möglichst
gering ist, wobei je nach Typ und Ausgestaltung eine permanente
Energieversorgung von außen
vorgesehen sein kann, oder aber auch eine Ausgestaltung, bei der
Energie nur im Bedarfsfall von außen in die Lichtquelle 21 eingekoppelt
wird, um die Messwerte des lichtempfindlichen Empfängers 22 ebenfalls
nur in diesem Bedarfsfall auch abzurufen.
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Zwischen
der Lichtquelle 21 und dem lichtempfindlichen Empfänger 22 befindet
sich ein Lichtleitungsweg 30. In der in 1 dargestellten
Version befindet sich die Lichtquelle 21 im ersten Bauelement 13 und
der lichtempfindliche Empfänger 22 im
zweiten Bauelement 14. Der Lichtleitungsweg 30 kann beispielsweise
eine optische Faser sein oder von einer solchen gebildet werden.
Der Lichtleitungsweg 30 besteht aus einem ersten Abschnitt 31 und
einem zweiten Abschnitt 32. Zwischen den beiden Abschnitten 31 und 32 befindet
sich eine optische Kopplungsstelle 33. In dieser vereinfachten
Ausführungsform liegt
die optische Kopplungsstelle 33 in dem Fügebereich 15,
während
der erste Abschnitt des Lichtleitungsweges 31 sich nur
innerhalb des ersten Bauelements 13 und der zweite Abschnitt
des Lichtleitungsweges 32 nur im zweiten Bauelement 14 befinden.
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Der
erste Abschnitt 31 und der zweite Abschnitt 32 des
Lichtleitungsweges 30 können
sich also relativ zueinander bewegen, wenn sich auch die beiden
Bauelemente 13 und 14 relativ zueinander bewegen.
Während
die beiden Abschnitte 31 und 32 sich in der Null-Position
oder Ruhestellung an der optischen Kopplungsstelle 33 mit
identischer Achse genau gegenüber
stehen, sind diese Achsen nach einer Bewegung zwar noch achsparallel,
sie fallen jedoch nicht mehr zusammen.
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Der
sich daraus ergebende Effekt ist in 2 zu erkennen.
Man sieht hier die optische Kopplungsstelle 33, an der
sich die beiden hier stark vergrößert dargestellten
Abschnitte 31 und 32 des Lichtleitungsweges 30 gegenüber stehen.
Der Lichtleitungsweg 30 sei hier der Einfachheit halber
als optische Faser mit kreisförmigem
Querschnitt angenommen.
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Befinden
sich die beiden Bauelemente 13 und 14 und damit
auch ihre Flächen 11 und 12 in
der Null-Position oder Ruhestellung, beispielsweise einer Soll-Position,
so fallen die beiden kreisförmigen Querschnitte
genau aufeinander. Licht, das von der Lichtquelle 21 über den
ersten Abschnitt 31 des Lichtleitungsweges 30 zur
optischen Kopplungsstelle 33 gelangt, wird hier praktisch
ungedämpft
durchgelassen, und gelangt über
den zweiten Abschnitt 32 des Lichtleitungsweges 30 zum
lichtempfindlichen Empfänger 22.
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Hat
jedoch eine Verschiebung des ersten Bauelementes 13 relativ
zum zweiten Bauelement 14 und damit auch der ersten Fläche 11 relativ
zur zweiten Fläche 12 stattgefunden,
hat also beispielsweise die Klebeschicht im Fügebereich 15 etwas
nachgegeben, so fallen die beiden kreisförmigen Querschnitte der beiden
Abschnitte 31, 32 des Lichtleitungsweges 30 nicht
mehr zusammen, sondern sie überdecken
sich nur noch in einem Teilbereich. Dies ist in 2 dargestellt.
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Das
Licht, das jetzt von der Lichtquelle 21 über den
ersten Abschnitt 31 des Lichtleitungsweges 30 zur
optischen Kopplungsstelle 33 gelangt, wird jetzt nur noch
mit einem Teil seiner Gesamtintensität durch die optische Kopplungsstelle 33 in
den zweiten Abschnitt 32 des Lichtleitungsweges 30 übergeleitet, so
dass sich am lichtempfindlichen Empfänger 22 nur noch eine
Teilintensität
befindet; in dem in der 2 dargestellten konkreten Fall
dürften
das etwa zwei Drittel sein.
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Durch
eine geeignete Kalibrierung kann problemlos der Fall berücksichtigt
werden, dass es auch schon in der Ruhestellung Übertragungsverluste geben kann.
Das Verhalten der beiden Abschnitte 31, 32 der
Lichtleitungswege 30 ist vorher bekannt und kann etwa durch
das Aufnehmen einer Skala bereits vorab festgestellt werden, so
dass dann bei einem realen Auftreten eines Verschiebens der beiden
Bauelemente 13 und 14 mit den Flächen 11 und 12 relativ zueinander der
tatsächlich
gemessene Intensitätswert
ohne Weiteres einem bestimmten Verschiebungsweg zugeordnet werden
kann.
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In
der 3 ist nun eine andere Ausführungsform dargestellt. Bei
vielen Werkstoffen oder auch konkreten Anwendungsfällen ist
es nicht möglich
oder nicht gewünscht,
Bohrungen in die beteiligten Bauelemente 13 und 14 einzubringen;
dies gilt etwa bei Verbundglasscheiben.
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In
diesem Fall werden die zu beobachtenden Flächen 11 und 12 so
gewählt,
dass es sich jeweils um die voneinander abgewandten Außenflächen der beiden
beteiligten Bauelemente 13 und 14 handelt, die
wieder über
einen Fügebereich 15 miteinander verbunden
sind.
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Jetzt
aber werden außen
auf die beiden Flächen 11 und 12 an
deren Rand Hilfselemente 41 und 42 geklebt oder
aufgebracht, die über
den Rand der Bauelemente 13 und 14 hinaus ragen.
An diesen Hilfselementen 41 und 42 werden jetzt
die Lichtquelle 21 und der lichtempfindliche Empfänger 22 sowie
der dazwischen verlaufende Lichtleitungsweg 30 mit seinen
beiden Abschnitten 31 und 32 und der optischen Kopplungsstelle 33 gelegt.
Diese befinden sich also außerhalb
des Randes der Bauelemente, so dass eine Bohrung entbehrlich ist.
Dafür ist
jetzt natürlich zu
beachten, dass es sich um außen
aus den Bauelementen 13, 14 am Rand herausragende
Bereiche handelt, die entsprechend geschützt oder jedenfalls berücksichtigt
werden müssen.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
in der 3 führt
eine Bewegung der beiden Flächen 11 und 12 relativ
zueinander nun auch dazu, dass der erste Abschnitt 31 und
der zweite Abschnitt 32 des Lichtleitungsweges 30 miteinander
in einer Null-Stellung
vollständig übereinstimmen,
während
sie nach einer Verschiebung nur noch teilweise zusammenfallen.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist jetzt in der 4 dargestellt, dass der lichtempfindliche
Empfänger 22 auch
aus einem Feld von Einzelsensoren bestehen kann, wobei der zweite
Abschnitt 32 des Lichtleitungsweges 31 hier keine
optische Faser ist, sondern der erste Abschnitt 31 des
Lichtleitungs- Weges 30 in
Form der optischen Faser bis unmittelbar über dieses Feld der Lichtsensoren
des lichtempfindlichen Empfängers 22 reicht,
der zweite Abschnitt 32 also nur noch die Distanz zwischen
dem Ende des ersten Abschnittes und damit der optischen Kopplungsstelle 33 und
dem Feld der Lichtsensoren überbrückt.
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Hier
nun können
die kleinen Mikrosensoren nicht nur feststellen, ob der Querschnitt
des ersten Abschnittes 31 des Lichtleitungsweges 30 genau
in der Null-Stellung oder Soll-Stellung angeordnet ist oder nicht,
sondern sie können
auch feststellen, in welcher Richtung eine Verschiebung stattgefunden hat,
da dann konkrete andere Mikrosensoren des lichtempfindlichen Empfängers 22 mit
Licht beaufschlagt werden.
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Es
ist in diesem Falle also nicht nur der Betrag oder die Strecke der
Relativverschiebung messbar, sondern auch die Richtung der Verschiebung, die
die beiden plattenförmigen
Bauelemente 13 und 14 relativ zueinander genommen
haben.
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Der
Lichtleitungsweg 30 kann auch aus mehreren einzelnen Lichtleitungswegen,
beispielsweise parallelen Fasern, aufgebaut sein. Ebenso ist auch der
Einsatz einer Blende mit einer oder mehreren Öffnungen möglich.
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Auch
dann entsteht der Vorteil, nicht nur die Veränderung der Lichtintensität als Aussage
zu erhalten, sondern auch Angaben über die Richtung der Relativbewegung
machen zu können.
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In
der 5 schließlich
wird veranschaulicht, dass der Aufbau auch sehr viel komplizierter ausgestaltet
sein kann, um bestimmte praktische Randbedingungen zu erfüllen. So
wird es gelegentlich gewünscht
werden, dass die Lichtquelle 21 und der lichtempfindliche
Empfänger 22 möglichst
eng benachbart zueinander liegen sollen, und zwar beide auf der
gleichen Seite der optischen Kopplungsstelle 33.
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Diese
zunächst
unmöglich
zu erfüllen
scheinende Forderung ist jedoch erfüllbar. Die Lichtquelle 21 kann
nämlich
mit einem ersten Abschnitt des Lichtleitungsweges 30 ausgerüstet sein,
der ein- oder mehrfach durch den Fügebereich 15 mäanderförmig oder
beliebig hindurch läuft,
um im Ergebnis dann erst von der gewünschten Seite des Fügebereichs 15 aus
auf die optische Kopplungsstelle 33 zu treffen. Dies ist
in der 5 wie folgt dargestellt:
Der insgesamt mit
den Bezugszeichen 20 bezeichnete Aufbau weist auch hier
eine Lichtquelle 21 auf, von der aus ein Lichtleitungsweg 30 mit
Licht versorgt wird. Der Lichtleitungsweg 30 weist zunächst einen von
der Lichtquelle 21 nach unten führenden Weg auf. Dieser Weg
kreuzt zumindest einmal den Fügebereich 15 mit
der Klebstoffschicht. Der Lichtleitungsweg 30 verläuft demnach
zum Teil auch auf derjenigen Seite des Fügebereichs 15, die
nicht die Seite mit der Lichtquelle 21 ist. Im Regelfall
wird dies also die Seite des unteren Bauelements 14 sein.
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In
dem Bereich des unteren Bauelements 14 endet eine Sackbohrung 17 und
hier kehrt der Lichtleitungsweg 30 seinen Weg um. Im Regelfall
wird er also den Fügebereich 15 zweimal
durchqueren.
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Es
ist dann die optische Kopplungsstelle 33 vorgesehen, die
sich in dem Fügebereich 15 befindet.
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Gezeigt
wird in der 5 eine Anordnung mit einer Umlenkkugel
oder Verteilerkugel 43, bei der eine Longitudinalbewegung
der beiden Bauelemente 13 und 14 relativ zueinander
in eine Drehbewegung der in einer sphärischen Aufnahme gelagerten
Verteilerkugel 43 umgesetzt wird.
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Nach
Durchlaufen der optischen Kopplungsstelle 33 führt der
Lichtleitungsweg 30 mit seinem zweiten Abschnitt 32 weiter
zu dem lichtempfindlichen Empfänger 22.
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Dieser
lichtempfindliche Empfänger 22 nimmt
die ankommende Lichtmenge auf und gibt sie an eine nicht dargestellte
Auswerteeinrichtung weiter. Diese Aus werteeinrichtung kann drahtlos
mit dem lichtempfindlichen Empfänger 22 verbunden sein
und sich außerhalb
der beiden Bauelemente beziehungsweise Platten 13 und 14 befinden,
dies ist jedoch nicht zwingend der Fall. Die Auswerteeinrichtung
stellt fest, ob beispielsweise die Intensität oder ein anderer spezifischer
Wert sich gegenüber
einem erwarteten Wert verändert
hat und erlaubt dadurch Rückschlüsse auf
die der Reaktion der optischen Kopplungsstelle 33 zugrunde
liegende Verschiebung der beiden Bauelemente 13 und 14.
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Aus
diesem Wert kann dann auf die Größenordnung
der Verschiebung der beiden Bauelemente 13 und 14 zueinander
geschlossen werden, insbesondere kann aber sichergestellt werden,
ob eine bestimmte Größenordnung
der Verschiebung erreicht worden ist oder nicht.
-
Diese
Messung kann kontinuierlich vorgenommen werden, sodass ein Alarm
bei einem Erreichen eines bestimmten Wertes ausgelöst wird.
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Es
ist aber auch möglich,
in Abständen
diskrete Messungen durchzuführen,
wenn dies beispielsweise bei nur begrenzt zur Verfügung stehender
Energie für
die Lichtquelle 21 wünschenswert
ist.
-
- 11
- erste
Fläche
- 12
- zweite
Fläche
- 13
- erstes
Bauelement
- 14
- zweites
Bauelement
- 15
- Fügebereich
- 17
- Bohrung
beziehungsweise Sackbohrung
- 20
- Aufbau
- 21
- Lichtquelle
- 22
- lichtempfindlicher
Empfänger
- 30
- Lichtleitungsweg
- 31
- erster
Abschnitt des Lichtleitungsweges
- 32
- zweiter
Abschnitt des Lichtleitungsweges
- 33
- optische
Koppelungsstelle
- 41
- Hilfselement
- 42
- Hilfselement
- 43
- Verteilerkugel